電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)和相關(guān)直交轉(zhuǎn)換裝置中孤島的檢測(cè)法
【專利摘要】公開了電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)和相關(guān)直交轉(zhuǎn)換裝置中孤島的檢測(cè)法。本發(fā)明涉及到用于檢測(cè)電網(wǎng)連接的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和相關(guān)DC/AC轉(zhuǎn)換器裝置的孤島狀況的方法，其適合于從功率質(zhì)量的維持方面來說優(yōu)化性能，為工廠的所有逆變器提供同步擾動(dòng)，在公用設(shè)施所請(qǐng)求的時(shí)間和安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)提供關(guān)閉能力，并提供對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的抗擾性。
【專利說明】電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)和相關(guān)直交轉(zhuǎn)換裝置中孤島的檢測(cè)法 發(fā)明領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及功率轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生系統(tǒng)，特別是，本發(fā)明涉及用于檢測(cè)在適合于直接連 接到電網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生系統(tǒng)中的孤島的方法。 現(xiàn)有技術(shù)
[0002] 本發(fā)明涉及用于檢測(cè)在電網(wǎng)連接模式中操作的DC/AC轉(zhuǎn)換器和相關(guān)DC/AC轉(zhuǎn)換器 裝置的孤島的方法。
[0003 ]電網(wǎng)連接的功率轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生系統(tǒng)適合于產(chǎn)生用于直接輸送到電網(wǎng)的電功率，特別 是轉(zhuǎn)換由諸如光伏板和風(fēng)力渦輪機(jī)的可再生源產(chǎn)生的電功率。這樣的功率轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生系統(tǒng) 通常包括適合于將DC輸入電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓的逆變器裝置，其中AC輸出電壓以如電網(wǎng) 規(guī)范所需的振幅和頻率為特征。所述逆變器通常適合于直接連接到電網(wǎng)且一般包括作為 DC-AC轉(zhuǎn)換器工作的半導(dǎo)體H橋電路。
[0004] 電網(wǎng)連接的發(fā)電單元需要符合安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章，以保證安全地連接到公共電網(wǎng)。 特別是，電網(wǎng)連接的系統(tǒng)需要免受孤島一一即使來自電氣公用設(shè)施的電網(wǎng)功率不再存在， 發(fā)電系統(tǒng)也繼續(xù)給位置供電的條件。孤島可能對(duì)可能沒有意識(shí)到電路仍然通電的公用設(shè)施 工人是危險(xiǎn)的，且它可妨礙設(shè)備的自動(dòng)重新連接。由于此原因，發(fā)電單元必須適合于檢測(cè)孤 島狀況并立即停止發(fā)電。發(fā)電單元因此需要設(shè)置有在電源電壓缺少的情況下強(qiáng)制DC/AC轉(zhuǎn) 換器的輸出從AC電源斷開的抗孤島能力。
[0005] 如果發(fā)電單元的逆變器設(shè)置有檢測(cè)孤島的裝置并經(jīng)由適當(dāng)?shù)淖詣?dòng)開關(guān)電路連接 到電網(wǎng)，則可達(dá)到這個(gè)要求，防止到子電網(wǎng)或到獨(dú)立電網(wǎng)的無意連接并因此防止孤島狀況 發(fā)生。
[0006] 現(xiàn)今存在可用來檢測(cè)孤島并避免對(duì)于電網(wǎng)連接的功率系統(tǒng)應(yīng)用在孤島模式中的 不安全操作的各種方法，所述方法通常分成被動(dòng)和主動(dòng)方法。
[0007] 被動(dòng)方法監(jiān)控諸如電壓和頻率的參數(shù)、電網(wǎng)電壓變化率或電網(wǎng)頻率變化率，并如 果檢測(cè)到的工作條件不同于標(biāo)稱條件，則防止功率從逆變器供應(yīng)到電網(wǎng)?，F(xiàn)有技術(shù)被動(dòng)方 法的例子基于電壓相位突變、頻率變化率、電壓變化率、電流諧波的檢測(cè)和分析。
[0008] 主動(dòng)方法通常將干擾引入到所連接的電路，并接著監(jiān)控響應(yīng)，以確定是否仍然連 接公用設(shè)施電網(wǎng)；一些主動(dòng)方法基于在逆變器和公用設(shè)施之間的通信并適合于在緊急情況 出現(xiàn)時(shí)使逆變器停止將功率供應(yīng)到電網(wǎng)。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)主動(dòng)方法的例子基于對(duì)阻抗、頻率偏移、頻率漂移、有功功率和/或無功 功率的變化、頻率突變、Sandia頻率偏移、Sandia電壓偏移的檢測(cè)和分析。
[0010]逆變器制造商通常偏愛主動(dòng)方法，因?yàn)榕c被動(dòng)方法比較有較低的NDZ(非檢測(cè)區(qū)） 和較快的檢測(cè)時(shí)間。
[0011]用于在逆變器操作期間檢測(cè)孤島狀況的現(xiàn)有技術(shù)方法通常被涉及下列項(xiàng)的缺點(diǎn) 影響：對(duì)當(dāng)電網(wǎng)被連接時(shí)的頻率變化的抗擾性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、功率質(zhì)量的維持、當(dāng)在工廠 中有多個(gè)逆變器時(shí)的擾動(dòng)同步。
[0012] 詳細(xì)地，在此描述了用于基于無功功率的周期性注入來檢測(cè)孤島狀況的最常見的 現(xiàn)有技術(shù)方法之一的操作。該方法基于試圖通過以一時(shí)間間隔注入無功功率來使在公共耦 合點(diǎn)(PCC)處的電壓V pcc的頻率偏移的思想。
[0013] 當(dāng)電網(wǎng)公用設(shè)施被連接時(shí)，頻率將不偏移，因?yàn)樵谙到y(tǒng)中的無功功率使得：
[0014] Qgic=Qinv+ A Q
[0015] 因此，當(dāng)〇&改變時(shí)，AQ相應(yīng)地改變，以便滿足由負(fù)載要求的無功功率_。
[0016] 當(dāng)電網(wǎng)被斷開時(shí)，AQ不再可用于平衡負(fù)載請(qǐng)求，因此：
[0017] QggJ=Qinv
[0018] 因此，當(dāng)〇&改變時(shí)維持平衡條件的唯一方式是頻率改變，因?yàn)椋?br>[0019]
[0020] 因此，每當(dāng)逆變器響應(yīng)于無功功率的注入而檢測(cè)到頻率偏移時(shí)，檢測(cè)到孤島狀況。 [0021 ]上述方法以幾個(gè)缺點(diǎn)為特征，即當(dāng)電網(wǎng)被連接時(shí)對(duì)頻率變化的抗擾性的缺乏、在 多個(gè)所連接的逆變器之間的同步和在系統(tǒng)中引入的高度的擾動(dòng)。
[0022] 用于在逆變器操作期間檢測(cè)孤島狀況的其它現(xiàn)有技術(shù)方法利用正反饋控制回路， 以便開始在測(cè)試信號(hào)中的頻率漂移。這些方法通常顯示穩(wěn)定性問題，例如當(dāng)弱公用設(shè)施連 接到逆變器時(shí)，然后在功率輸出中的可能的不穩(wěn)定性可引起在系統(tǒng)中的瞬變現(xiàn)象，且檢測(cè) 孤島的正反饋控制回路可放大并增加那個(gè)不穩(wěn)定性。
[0023] 因此，本發(fā)明的目的是引入用于在電網(wǎng)連接的逆變器中的孤島狀況的可靠檢測(cè)和 管理的新方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)方法的缺點(diǎn)。
[0024] 特別是，本發(fā)明的目的是引入用于關(guān)于同一工廠的多個(gè)電網(wǎng)連接的逆變器的孤島 狀況的可靠檢測(cè)和管理的新方法、相關(guān)的新AC/DC轉(zhuǎn)換器和包括所述AC/DC轉(zhuǎn)換器的新發(fā)電 系統(tǒng)。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的方法還適合于從功率質(zhì)量的維持方面來說優(yōu)化性能;為工廠的所有 逆變器提供同步擾動(dòng);在由公用設(shè)施請(qǐng)求的時(shí)間和安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)提供逆變器關(guān)閉能力；提供 對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的抗擾性。
[0026] 參考附隨的圖中的圖在非限制性實(shí)施方式的以下描述中，本發(fā)明的另外的特征和 優(yōu)點(diǎn)將明顯，附圖是概略的并示出適合于根據(jù)在實(shí)踐中的不同電路解決方案而制造的功能 塊。
[0027] 詳細(xì)地：
[0028]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的具有設(shè)置有抗孤島模塊的控制器的電網(wǎng)連接的DC/AC轉(zhuǎn)換 器的方框圖；
[0029]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的抗孤島模塊的方框圖；
[0030]圖3示出與在正常操作中的PLL輸出有關(guān)并在擾動(dòng)被施加到PLL之后的波形；
[0031]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的用于檢測(cè)在電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)中的孤島的方法的流程 圖。
[0032]本發(fā)明的詳細(xì)描述
[0033]圖1示出包括諸如光伏發(fā)電機(jī)或風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量產(chǎn)生系統(tǒng)10和DC/AC轉(zhuǎn)換器的 電網(wǎng)連接的單相或多相逆變器的通用方框圖。
[0034] DC/AC轉(zhuǎn)換器通常包括輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器11、級(jí)聯(lián)DC/AC逆變器12和控制模塊14,控 制模塊14包括例如電流控制器22、電壓控制器23和PffM調(diào)制器24。
[0035]輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器11適合于將所述能量產(chǎn)生系統(tǒng)10的輸出直流電壓升高到預(yù)定電 壓水平。在能量產(chǎn)生系統(tǒng)10是光伏發(fā)電機(jī)的情況下，所述輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器11可進(jìn)一步適合 于追蹤來自光伏發(fā)電機(jī)的最大功率點(diǎn)。在這種情況下，DC/DC轉(zhuǎn)換器11用于從根據(jù)隔離和溫 度而改變的光伏發(fā)電機(jī)的輸出執(zhí)行最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)，并提取最大功率以將它存儲(chǔ)在 DC鏈端部處的電容器組15--所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出中。
[0036] DC鏈端電壓的控制由所述控制模塊14執(zhí)行。當(dāng)從DC/DC轉(zhuǎn)換器11提取光伏發(fā)電機(jī) 的最大功率時(shí)，DC鏈端電壓升高且DC/AC逆變器將存儲(chǔ)在DC鏈端部中的能量注入到電網(wǎng)16 內(nèi)。
[0037] DC/AC逆變器適合于將來自DC/DC轉(zhuǎn)換器11的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓以向電網(wǎng) 16供應(yīng)逆變器電流。
[0038]因此，DC/AC轉(zhuǎn)換器將來自能量產(chǎn)生系統(tǒng)10的電壓轉(zhuǎn)變成與電網(wǎng)相位同步的交流 (AC)電壓并將它供應(yīng)給電網(wǎng)16。
[0039]控制模塊14通常包括適合于控制電網(wǎng)電流的內(nèi)部電流回路和適合于控制dc鏈電 壓的外部電壓回路。
[0040] -般地說，電流回路可適合于將有功電流Id和無功電流Iq調(diào)節(jié)到值ID_ rrf和IQ_re3f， 電壓回路適合于調(diào)節(jié)在系統(tǒng)內(nèi)的功率流平衡。
[0041] 所述控制模塊14包括適合于追蹤電網(wǎng)頻率的塊，例如，鎖相環(huán)(PLL)17。
[0042] 在設(shè)置有抗孤島功能的逆變器中，所述控制模塊14還包括抗孤島模塊18。
[0043]基于頻偏的抗孤島方法適合于修改PLL或適合于追蹤電網(wǎng)相位或電網(wǎng)頻率的通用 塊的追蹤信號(hào)的波形。
[0044]假設(shè)適合于追蹤電網(wǎng)相位或電網(wǎng)頻率的塊是PLL 17,附圖3示出PLL追蹤信號(hào)的波 形。當(dāng)將一些擾動(dòng)添加到PLL追蹤信號(hào)時(shí)，由逆變器注入到電網(wǎng)內(nèi)的電流的波形變形，使得 新信號(hào)零交叉點(diǎn)將在實(shí)際電網(wǎng)信號(hào)的零交叉點(diǎn)之前或之后，而波形的周期保持不被所述擾 動(dòng)改變。
[0045] 在附圖3中，變形的波形示出相對(duì)于在公共耦合點(diǎn)處拾取的實(shí)際電網(wǎng)頻率(PCCi 壓)更高的頻率，相同的考慮因素將在PLL追蹤信號(hào)的所選擇的擾動(dòng)例如迫使頻率低于標(biāo)稱 頻率的情況下適用。變形的波形結(jié)束每個(gè)半周期，且在開始下一半周期之前在時(shí)間 tz期間 保持在零振幅處。
[0046] 變形的波形也可具有比PCC電壓頻率更低的頻率。在這后一情況下，當(dāng)PCC波形為 零時(shí)，變形的波形也為零。
[0047] 相同的考慮因素在適合于代替PLL使用追蹤電網(wǎng)相位或電網(wǎng)頻率的通用塊的情況 下適用。
[0048]當(dāng)公用設(shè)施電網(wǎng)被連接時(shí)，公用設(shè)施電網(wǎng)對(duì)抗在電網(wǎng)電壓頻率中的任何變化。如 果逆變器試圖改變它的輸出電流的頻率，則公用設(shè)施電網(wǎng)繼續(xù)向PLL提供固相和頻率參考， 從而使在電網(wǎng)電壓的頻率處的操作點(diǎn)穩(wěn)定且在PLL控制回路內(nèi)不出現(xiàn)正反饋。
[0049]相反，在孤島狀況期間，在PCC處的AC電壓Vpcc的頻率將由于由逆變器注入的擾動(dòng) 而改變。逆變器輸出電壓接著遵循所注入的變形電流波形并在不同于標(biāo)稱半周期TPCC/2的 時(shí)間（TPCC/2-tz)上與零振幅軸交叉。這也適用于下一半周期，且電壓Vpcc的零交叉點(diǎn)相應(yīng)地 偏移。然后，PLL輸出信號(hào)的頻率也偏移，以便保持與電網(wǎng)電壓頻率同步，且因此下一擾動(dòng)被 施加在具有改變的頻率的PLL信號(hào)上，從而產(chǎn)生正反饋。結(jié)果是，PCC AC電壓Vra經(jīng)歷頻率漂 移，其檢測(cè)可用于確定正在進(jìn)行的孤島狀況。
[0050]參考附圖1和2,根據(jù)本發(fā)明的抗孤島模塊18包括三個(gè)子模塊：
[00511信號(hào)注入器模塊19,其與所述PLL 17相關(guān)，包括用于產(chǎn)生對(duì)所述PLL17的參考信號(hào) 的擾動(dòng)的、適合于使所述DC/AC轉(zhuǎn)換器的AC輸出電壓的頻率偏移的裝置19a和用于為所述 PLL 17提供包括所述擾動(dòng)的所述參考信號(hào)以便修改PLL輸出波形使得在孤島狀況期間在 PCC處的電壓的頻率相對(duì)于標(biāo)稱值偏移的裝置19b;
[0052]頻率提取器模塊20,其與所述信號(hào)注入器模塊19相關(guān)，并包括用于測(cè)量在所述DC/ AC轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)之間的公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率和頻率變化的裝置；
[0053]孤島檢測(cè)器模塊21，其與所述信號(hào)注入器模塊19相關(guān)，并包括用于在公共耦合點(diǎn) 處的AC電壓的頻率大于預(yù)定閾值時(shí)產(chǎn)生警報(bào)信號(hào)并改變所述DC/AC轉(zhuǎn)換器的操作以便避免 孤島的裝置。
[0054]更詳細(xì)地，所述信號(hào)注入器模塊19將擾動(dòng)施加到PLL追蹤信號(hào)，其反過來影響電流 回路控制信號(hào)。所述擾動(dòng)使PLL波形的零交叉點(diǎn)在實(shí)際電網(wǎng)信號(hào)的零交叉點(diǎn)之前或之后，好 像頻率高于或低于在PCC處的實(shí)際電網(wǎng)信號(hào)頻率一樣。然后當(dāng)波形到達(dá)零時(shí)，它在相繼的半 周期開始之前在時(shí)間t z期間保持在零處。
[0055]參考附圖1，所述頻率提取器模塊20在PCC處的AC電壓上操作頻率測(cè)量，得到頻率 樣本Fn。在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式中，可通過AC電壓零交叉檢測(cè)和接下來的在兩個(gè) 連續(xù)零交叉之間的時(shí)間間隔的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)所述頻率測(cè)量。通過AC電壓零交叉的檢測(cè)來測(cè)量 在所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)之間的公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率向?qū)儆谕还S并共用同 一電網(wǎng)的所有AC/DC轉(zhuǎn)換器提供自動(dòng)同步。
[0056]為了使測(cè)量更準(zhǔn)確并評(píng)估在PCC處的AC電壓的頻率的趨勢(shì)，所述頻率提取器模塊 20進(jìn)一步分別計(jì)算小數(shù)量的頻率樣本Fn(例如小于10個(gè)樣本的數(shù)量）的短移動(dòng)平均值和大 數(shù)量的頻率樣本Fn(例如大于50個(gè)樣本的數(shù)量)的長(zhǎng)移動(dòng)平均值。
[0057]小數(shù)量的最后的頻率樣本Fn的短移動(dòng)平均值適合于從頻率測(cè)量Fn濾除噪聲、EMI以 及總體上說，濾除測(cè)量的不準(zhǔn)確性。大數(shù)量的最后的樣本的長(zhǎng)移動(dòng)平均值適合于感測(cè)頻率 測(cè)量的實(shí)際趨勢(shì)，以便加速孤島狀況的檢測(cè)和所檢測(cè)的警報(bào)的管理。
[0058]所述頻率提取器模塊20向所述信號(hào)注入器模塊19提供所計(jì)算的值。
[0059]如先前解釋的，所述信號(hào)注入器模塊19適合于將擾動(dòng)施加到PLL追蹤信號(hào)，其反過 來影響電流回路控制信號(hào)。有利地，所述信號(hào)注入器模塊19可將參考信號(hào)施加到PLL或通用 電網(wǎng)電壓相位追蹤器或電網(wǎng)電壓頻率追蹤器，這增加了預(yù)定質(zhì)量。因此，由所述信號(hào)注入器 模塊19饋送到PLL的參考信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述控制模塊14的電流控制回路，使得逆變器12產(chǎn)生輸 出頻率ω 0+Δ ω0,其中ω0是標(biāo)稱電網(wǎng)頻率。
[0060]在正常的操作期間，當(dāng)DC/AC轉(zhuǎn)換器連接到電網(wǎng)且電網(wǎng)電壓存在時(shí)，電網(wǎng)對(duì)抗在電 網(wǎng)電壓頻率中的任何變化。當(dāng)所述控制模塊14驅(qū)動(dòng)逆變器以嘗試并修改它的輸出電流的頻 率時(shí)，電網(wǎng)繼續(xù)向PLL提供固定相位和頻率參考，從而使操作點(diǎn)穩(wěn)定在電網(wǎng)電壓的頻率處且 在所述抗孤島模塊18內(nèi)不出現(xiàn)正反饋。
[0061] 相反，在孤島狀況期間，當(dāng)DC/AC轉(zhuǎn)換器連接到電網(wǎng)但電網(wǎng)電壓不存在時(shí)，在PCC處 的AC電壓Vpcc的頻率將由于由所述信號(hào)注入器模塊19注入到PLL追蹤信號(hào)的擾動(dòng)而改變。因 此，正反饋在逆變器電流控制回路內(nèi)建立:PLL和頻率提取器模塊20檢測(cè)到高于ω 〇的PCC電 壓頻率，且所述信號(hào)注入器模塊19繼續(xù)將擾動(dòng)施加到PLL追蹤信號(hào)，直到頻率達(dá)到預(yù)定閾值 為止，指示正在進(jìn)行的緊急情況，且DC/AC轉(zhuǎn)換器相應(yīng)地被切斷，從而避免孤島。
[0062] 優(yōu)選地，基于在節(jié)點(diǎn)PCC處的電壓的頻率的過去和當(dāng)前值來計(jì)算由所述信號(hào)注入 器模塊19施加到PLL追蹤信號(hào)的擾動(dòng)，在節(jié)點(diǎn)PCC處的電壓的頻率的所述過去和當(dāng)前值由所 述頻率提取器模塊20提供。
[0063] 在節(jié)點(diǎn)PCC處的電壓的頻率的所述過去和當(dāng)前值之間的差異大于預(yù)定閾值的情況 下，接著，由所述信號(hào)注入器模塊19施加的下一擾動(dòng)增加了額外項(xiàng)Δ ω到Δ ω〇+Δ ω，使得 在孤島的情況下，逆變器工作頻率快速增長(zhǎng)，直到達(dá)到預(yù)定警報(bào)閾值且系統(tǒng)被關(guān)閉并變得 安全為止。
[0064]更詳細(xì)地，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述頻率提取器模塊20通過對(duì)在PCC處的 AC電壓的周期一一即在兩個(gè)連續(xù)零交叉之間的時(shí)間間隔一一的測(cè)量來周期性地測(cè)量在PCC 處的AC電壓的頻率，并計(jì)算頻率樣本Fn的長(zhǎng)移動(dòng)平均值和頻率樣本Fn的短移動(dòng)平均值，并最 終向所述信號(hào)注入器模塊19提供所測(cè)量和計(jì)算的值。
[0065] 所述信號(hào)注入器模塊19適合于將擾動(dòng)施加到PLL追蹤信號(hào)，其反過來影響電流回 路控制信號(hào)。
[0066] 所施加的擾動(dòng)總是包括常數(shù)項(xiàng)Δ ω〇,并可包括額外的可變項(xiàng)Δ ω。常數(shù)項(xiàng)Δ ω〇目 的在于在喪失干線電源的緊急情況出現(xiàn)的情況下觸發(fā)頻率漂移。
[0067]根據(jù)本發(fā)明，所述常數(shù)項(xiàng)△ ω 〇被選擇為盡可能地小，以便對(duì)THD和對(duì)所述DC/AC轉(zhuǎn) 換器輸出的cosci)有可忽略的影響，同時(shí)足以觸發(fā)所述DC/AC轉(zhuǎn)換器的頻率的漂移。此外，所 述常數(shù)項(xiàng)△ ω〇可被選擇為正的(適合于引起頻率增加)或負(fù)的(適合于引起頻率減?。?。
[0068] 基于由所述頻率提取器模塊20執(zhí)行的頻率測(cè)量的趨勢(shì)來計(jì)算額外的可變項(xiàng)Δ ω， 且它目的在于加速正在進(jìn)行的孤島狀況的發(fā)現(xiàn)和接下來的逆變器關(guān)閉。
[0069] 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述信號(hào)注入器模塊19如下地計(jì)算額外的可變項(xiàng)Δ ω ：
[0070] Δ ω =kAFL
[0071] 其中k可以是常數(shù)值或自適應(yīng)值k = f( AFl)，且
[0072] Δ Fl = Fn -Favgl，
[0073] Fn是在時(shí)間N處或在步驟N處執(zhí)行的頻率測(cè)量結(jié)果，且FAVa是最后大數(shù)量的頻率測(cè) 量Fn的移動(dòng)平均值，所述大數(shù)量例如大于50。
[0074] 如果以下條件的至少一個(gè)為真，則所述信號(hào)注入器模塊19將所述額外的可變項(xiàng)Δ ω施加到對(duì)PLL追蹤信號(hào)的擾動(dòng)：
[0075] 1) Δ Fl>T1且FAVGS〈Fmax(在所施加的擾動(dòng)為正的情況下，因此強(qiáng)迫正頻率漂移）；
[0076] 2) Δ Fl〈_T1且FAVGS>Fmin(在所施加的擾動(dòng)為負(fù)的情況下，因此強(qiáng)迫負(fù)頻率漂移）；
[0077] 其中，F(xiàn)avcs是最后小數(shù)量的頻率測(cè)量Fn的移動(dòng)平均值，所述小數(shù)量例如等于8，F(xiàn)max 是PCC電壓頻率的最大可接受的值，以及Fmin是PCC電壓頻率的最小可接受的值。
[0078]如果上述條件1)和2)中沒有一個(gè)為真，則不將所述額外的可變項(xiàng)△ ω施加到對(duì) PLL追蹤信號(hào)的擾動(dòng)。
[0079] 如果上述條件1)和2)中的一個(gè)或多個(gè)由于錯(cuò)誤的測(cè)量或由于掉電而被驗(yàn)證為真 的，則A ω只在有限的時(shí)間期間被施加到對(duì)PLL追蹤信號(hào)的擾動(dòng)而不達(dá)到觸發(fā)逆變器關(guān)閉 的警報(bào)閾值。在這種情況下，在錯(cuò)誤的測(cè)量或掉電條件不再存在時(shí)，信號(hào)注入器模塊19以在 預(yù)定時(shí)間間隔中或在預(yù)定數(shù)量的周期中將所述額外的可變項(xiàng)A ω的減小到零的方式操作。
[0080] 可能減小所述額外的可變項(xiàng)△ ω的過程的一個(gè)例子如下，其中根據(jù)下列公式而減 小Δ ω :
[0081 ] A ω (步驟η) =〇·99* Δ ω (步驟η-l)，某個(gè)時(shí)間常數(shù)例如等于幾秒。
[0082] 此外，如果Favgs>Fmax或Favgs〈Fmin，則所述信號(hào)注入器模塊19甚至在正在進(jìn)行的孤島 狀況的情況下也不再增加所述額外的可變項(xiàng)A ω。
[0083] 在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，為了加速孤島狀況的檢測(cè)以符合涉及該問題的安全 規(guī)范，所述常數(shù)值k，例如Λ ω = k △ 可具有兩個(gè)不同的值:第一值kl在頻率漂移在開始階 段中時(shí)被施加，第二值k2>kl被施加以加速頻率漂移，以便使孤島狀況的檢測(cè)足夠快。
[0084] 更詳細(xì)地，所述信號(hào)注入器模塊19檢查項(xiàng)Δ Fl = Fn-FAVCl。
[0085] 如果 Δ Fl大于第一閾值Tl ( Δ Fl>T1 或 Δ Fl〈_T1 )，貝ljk = kl。
[0086] 如果AFlXTI (或AFl〈_T1)不變地在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)且AFl>T2(或AFl〈_T2)，則k = k2〇
[0087] 對(duì)Δ Fl的值的上述檢查是確認(rèn)Δ Fl是否真地在增加，且在AC電壓的振幅的檢測(cè)到 的零交叉中沒有讀取錯(cuò)誤或抖動(dòng)。
[0088] 在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式中，所述常數(shù)項(xiàng)△ ω〇交替地被選擇為在某個(gè)數(shù)量n 的周期期間為正而在某個(gè)數(shù)量m的周期期間為負(fù)，η和m是整數(shù)，直到頻率漂移被檢測(cè)到為 止，然后所述常數(shù)項(xiàng)A ω〇的符號(hào)保持不變并等于當(dāng)頻率漂移開始時(shí)所述常數(shù)項(xiàng)△ ω〇有的 符號(hào)。
[0089]在多個(gè)DC/AC轉(zhuǎn)換器屬于同一工廠并共用同一電網(wǎng)的情況下，它們可具有不同的 負(fù)載或不同的操作點(diǎn)和輸入功率。因此，所述DC/AC轉(zhuǎn)換器可對(duì)同一擾動(dòng)△ ω〇做出不同的 反應(yīng)，可能抵消應(yīng)在PCC處的AC電壓的頻率上檢測(cè)到的總效應(yīng)。在這發(fā)生的情況下，正在進(jìn) 行的孤島狀況可能不被正確地檢測(cè)到。
[0090]將上述符號(hào)變化施加到所述常數(shù)項(xiàng)Δ ω〇,可能避免上面所述的不希望有的抵消 效應(yīng)的可能性。有利地，周期的所述數(shù)量η和m可被選擇為不同的整數(shù)，且它們可進(jìn)一步被選 擇為不同的質(zhì)數(shù)。
[0091]所述孤島檢測(cè)模塊21與所述頻率提取器模塊20相關(guān)，并且它適合于檢測(cè)正在進(jìn)行 的孤島狀況并在檢測(cè)到孤島的情況下用信號(hào)通知警報(bào)條件。在PCC電壓的頻率被檢測(cè)為漂 移的情況下，所述孤島檢測(cè)器模塊21改變逆變器12的操作，從而保證轉(zhuǎn)換器的安全。
[0092]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，所述孤島檢測(cè)模塊21對(duì)照預(yù)定警報(bào)閾值Ft檢查PCC 電壓實(shí)際頻率，并如果檢測(cè)到的頻率大于(或小于)所述閾值Ft，用信號(hào)通知由于孤島而引 起的緊急情況。
[0093]在本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式中，所述孤島檢測(cè)器模塊21對(duì)照預(yù)定警報(bào)閾值Ft檢 查PCC電壓頻率，并如果檢測(cè)到的頻率對(duì)于預(yù)定數(shù)量的連續(xù)測(cè)量大于(或小于)所述閾值，則 用信號(hào)通知由于孤島而引起的緊急情況。
[0094] 此外，所述孤島檢測(cè)器模塊21適合于根據(jù)所適用的安全規(guī)范用信號(hào)通知由于在預(yù) 定的時(shí)間間隔內(nèi)的孤島而引起的緊急情況。
[0095] 根據(jù)上面的描述并參考附圖4,本發(fā)明的抗孤島模塊18執(zhí)行用于檢測(cè)在電網(wǎng)連接 的發(fā)電系統(tǒng)中的孤島的方法，其中，采用了以下步驟：
[0096] a)測(cè)量(40)在所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)之間的公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率；
[0097] b)產(chǎn)生(41)用于追蹤電網(wǎng)頻率的所述裝置的參考信號(hào)的擾動(dòng)（△ ω〇)，以便使所 述DC/AC轉(zhuǎn)換器的AC輸出電壓的頻率偏移；
[0098] c)給用于追蹤電網(wǎng)頻率的所述裝置提供(42)包括所述擾動(dòng)（Δ ω〇, Δ ω〇+Δ ω )的 參考信號(hào)；
[0099] d)測(cè)量(43)在公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率中的變化；
[0100] e)如果(44)在公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率中的變化小于第一預(yù)定閾值，則重復(fù) 從步驟b)開始的前述步驟;如果(44)在公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率中的變化大于第一預(yù) 定閾值，則：
[0101] f)如果(45)在公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率大于第二預(yù)定閾值，則改變(47)所述 DC/AC轉(zhuǎn)換器的操作，以便避免孤島；
[0102] g)如果(45)在公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率小于第二預(yù)定閾值，則對(duì)用于追蹤電 網(wǎng)頻率的所述裝置的參考信號(hào)計(jì)算(46)新的額外項(xiàng)（△ ω )并產(chǎn)生包括額外項(xiàng)（△ ω )的擾 動(dòng)（Δ ω〇+Δ ω )，并接著從步驟c)重復(fù)。
[0103] 優(yōu)選地，通過AC電壓零交叉的檢測(cè)來執(zhí)行前述步驟a)和d)的對(duì)在所述DC/AC轉(zhuǎn)換 器和電網(wǎng)之間的公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率的所述測(cè)量。
[0104] 根據(jù)本發(fā)明的用于檢測(cè)在電網(wǎng)連接的發(fā)電系統(tǒng)中的孤島的裝置和方法相對(duì)于現(xiàn) 有技術(shù)引入幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
[0105]從自動(dòng)同步方面來說，通過AC電壓零交叉的檢測(cè)來測(cè)量在所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和電 網(wǎng)之間的公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率為被提供到安裝在同一工廠中的所有轉(zhuǎn)換器的擾 動(dòng)提供自動(dòng)同步，因?yàn)樵诠S中的所有逆變器共用同一電網(wǎng)。這樣，電網(wǎng)電壓的零交叉時(shí)間 代表根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的固有的同步事件。
[0106] 從對(duì)電網(wǎng)頻率變化的抗擾性方面來說，本方法和裝置適合于在開始頻率漂移并對(duì) 照包括最大和最小頻率閾值的閾值檢查PCC頻率之后來檢測(cè)孤島，從而，如果與施加周期性 擾動(dòng)并接著測(cè)量在PCC頻率中的變化的其它現(xiàn)有技術(shù)方法比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率變化的較 大抗擾性。
[0107] 從穩(wěn)定性和功率質(zhì)量方面來說，本方法和裝置適合于向PLL或在轉(zhuǎn)換器的控制模 塊內(nèi)的等效設(shè)備施加固定擾動(dòng)，該固定擾動(dòng)很小，使得功率質(zhì)量不被危害。固定擾動(dòng)保持非 常小，因?yàn)樗挥脕碛|發(fā)正反饋的頻率漂移。而且，本發(fā)明在弱公用設(shè)施電網(wǎng)被連接的情況 下提供安全性和穩(wěn)定性。事實(shí)上，多虧根據(jù)本發(fā)明的對(duì)照起始頻率閾值檢查PCC頻率并檢查 在同一方向上的頻率漂移的連續(xù)周期的數(shù)量的擾動(dòng)控制，在轉(zhuǎn)換器的功率輸出處的不穩(wěn)定 性將不在轉(zhuǎn)換器中引起不希望有的瞬變現(xiàn)象。
[0108] 在控制模塊14包括μ控制器或DSP的情況下，所述信號(hào)注入器模塊19、所述頻率提 取器模塊20、所述孤島檢測(cè)器模塊21和根據(jù)本發(fā)明的方法可在所述μ控制器或DSP的固件內(nèi) 實(shí)現(xiàn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于檢測(cè)包括DC/AC轉(zhuǎn)換器的電網(wǎng)連接的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的孤島狀況的方法，所 述DC/AC轉(zhuǎn)換器包括用于追蹤所述電網(wǎng)的頻率的裝置，所述方法包括： a) 測(cè)量在所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)之間的公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率； b) 產(chǎn)生用于追蹤所述電網(wǎng)頻率的所述裝置的參考信號(hào)的擾動(dòng)（△ ω〇)，以便使所述DC/ AC轉(zhuǎn)換器的AC輸出電壓的頻率偏移； c) 給用于追蹤所述電網(wǎng)頻率的所述裝置提供包括所述擾動(dòng)（Α ω〇, △ ω〇+Δ ω )的參考 信號(hào)； d) 測(cè)量在所述公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率的變化； e) 如果在所述公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率的變化小于第一預(yù)定閾值，則重復(fù)從步驟 b)開始的前述步驟;如果在所述公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率的變化大于所述第一預(yù)定閾 值，則： f) 如果在所述公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率大于第二預(yù)定閾值，則改變所述DC/AC轉(zhuǎn) 換器的操作，以便避免孤島； g) 如果在所述公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率小于所述第二預(yù)定閾值，則對(duì)用于追蹤所 述電網(wǎng)頻率的所述裝置的參考信號(hào)計(jì)算新的額外項(xiàng)（△ ω )并產(chǎn)生包括所述額外項(xiàng)（△ ω ) 的擾動(dòng)（Α ω〇+Δ ω )，并接著從步驟c)重復(fù)所述循環(huán)。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述擾動(dòng)（△ ω〇)交替地被選擇為在包括從b) 到e)的步驟的某個(gè)數(shù)量η的子循環(huán)期間為正、而在包括從b)到e)的步驟的某個(gè)數(shù)量m的子循 環(huán)期間為負(fù)，η和m是整數(shù)，直到頻率漂移在步驟e)被檢測(cè)到為止，然后所述常數(shù)項(xiàng)△ ω〇的 符號(hào)保持不變并等于所述常數(shù)項(xiàng)Α ω。采用的最后一個(gè)符號(hào)。3. 如前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)所述的方法，其特征在于，通過對(duì)AC電壓零交叉的 檢測(cè)來執(zhí)行前面的步驟a)和d)的對(duì)在所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和所述電網(wǎng)之間的所述公共耦合點(diǎn) 處的AC電壓的頻率的所述測(cè)量。4. 如前述權(quán)利要求中的一個(gè)或多個(gè)所述的方法，特征在于，在步驟d)測(cè)量的在所述公 共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率的變化被計(jì)算為在所述頻率的實(shí)際值和先前的采樣值的短移 動(dòng)平均值之間的差異，所述短移動(dòng)平均值基于所述頻率的小于10個(gè)的一定數(shù)量的采樣值來 計(jì)算。5. 如權(quán)利要求1到4中的一個(gè)或多個(gè)所述的方法，其特征在于，所述額外項(xiàng)（△ ω )是這 樣的，Δ co=kAFL，其中：AFl = Fn-FAVGL，F(xiàn)n是在時(shí)間Ν采樣的頻率測(cè)量結(jié)果，F(xiàn)avgl是所述頻 率樣本Fn的長(zhǎng)移動(dòng)平均值，所述長(zhǎng)移動(dòng)平均值基于大于50個(gè)的一定數(shù)量的所述頻率樣本F N 來計(jì)算，且所述參數(shù)k是常數(shù)值。6. 如權(quán)利要求1到4中的一個(gè)或多個(gè)所述的方法，其特征在于，所述額外項(xiàng)（△ ω )是這 樣的，Δ co=kAFL，其中：AFl = Fn-FAVGL，F(xiàn)n是在時(shí)間Ν采樣的頻率測(cè)量結(jié)果，F(xiàn)avgl是所述頻 率樣本Fn的長(zhǎng)移動(dòng)平均值，所述長(zhǎng)移動(dòng)平均值基于大于50個(gè)的一定數(shù)量的所述頻率樣本F N 計(jì)算，且所述參數(shù)k是自適應(yīng)值k = f( AFl)。7. 如權(quán)利要求5和6中的一個(gè)或多個(gè)所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)k在包括第一值 (kl)和第二值(k2)的組中被選擇，所述第一值(kl)被首先采用，所述第二值(k2)大于所述 第一值(kl)且被以后采用，以便更快地進(jìn)行對(duì)所述孤島狀況的檢測(cè)。8. -種電網(wǎng)可連接的DC/AC轉(zhuǎn)換器設(shè)備，其包括:輸入DC/DC轉(zhuǎn)換器（11)、級(jí)聯(lián)DC/AC逆 變器(12)和控制模塊（14)，所述控制模塊（14)包括適合于追蹤所述電網(wǎng)的頻率的模塊和抗 孤島模塊(18)，所述抗孤島模塊(18)包括： 用于測(cè)量在所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和所述電網(wǎng)之間的公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率和頻率 變化的裝置； 用于產(chǎn)生用于追蹤所述電網(wǎng)的頻率的所述裝置的參考信號(hào)的擾動(dòng)（Α ω〇，Δ ω〇+Δ ω) 以便使所述DC/AC轉(zhuǎn)換器的AC輸出電壓的頻率偏移的裝置； 給用于追蹤所述電網(wǎng)的頻率的所述裝置提供包括所述擾動(dòng)（Α ω〇, △ ω〇+Δ ω )的所述 參考信號(hào)的裝置； 用于當(dāng)在所述公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率大于預(yù)定閾值時(shí)改變所述DC/AC轉(zhuǎn)換器的 操作以便避免孤島的裝置，其特征在于，所述擾動(dòng)（Α ω〇, △ ω〇+Δ ω )包括適合于在孤島的 情況下觸發(fā)所述AC電壓的所述頻率的漂移的常數(shù)項(xiàng)（△ ω〇)和如果所述AC電壓的所述頻率 的漂移已被觸發(fā)時(shí)的可選的額外可變項(xiàng)（Α ω )。9. 如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，用于產(chǎn)生擾動(dòng)（△ ω 〇)的所述裝置適合于產(chǎn)生 交替地在某個(gè)數(shù)量η的AC電壓周期期間為正、而在某個(gè)數(shù)量m的AC電壓周期期間為負(fù)的擾動(dòng) (Δ coQ)，r^Pm是整數(shù)，直到頻率漂移由用于測(cè)量在所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和所述電網(wǎng)之間的所 述公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率和頻率變化的所述裝置檢測(cè)到為止，然后所述擾動(dòng)（△ ω〇)的符號(hào)保持不變并等于所述擾動(dòng)（△ ω〇)采用的最后一個(gè)符號(hào)。10. 如權(quán)利要求8到9中的一個(gè)或多個(gè)所述的設(shè)備，其特征在于，用于測(cè)量在所述DC/AC 轉(zhuǎn)換器和所述電網(wǎng)之間的所述公共耦合點(diǎn)處的AC電壓的頻率和頻率變化的所述裝置適合 于通過對(duì)AC電壓零交叉的檢測(cè)來測(cè)量所述頻率。11. 如權(quán)利要求8到10中的一個(gè)或多個(gè)所述的設(shè)備，特征在于，用于測(cè)量在所述公共耦 合點(diǎn)處的AC電壓的頻率和頻率變化的所述裝置適合于將所述頻率變化計(jì)算為在所述頻率 的實(shí)際值和先前的采樣值的短移動(dòng)平均值之間的差異，所述短移動(dòng)平均值基于所述頻率的 小于10個(gè)的一定數(shù)量的采樣值來計(jì)算。12. 如權(quán)利要求8到11中的一個(gè)或多個(gè)所述的設(shè)備，其特征在于，所述額外可變項(xiàng)（Δ ω )是這樣的，Δ ω =kAFL，其中：AFl = Fn-FAVGL，F(xiàn)n是在時(shí)間Ν處采樣的頻率測(cè)量結(jié)果，F(xiàn)avgl 是所述頻率樣本Fn的長(zhǎng)移動(dòng)平均值，所述長(zhǎng)移動(dòng)平均值基于大于50個(gè)的一定數(shù)量的所述頻 率樣本FN來計(jì)算，且所述參數(shù)k是常數(shù)值。13. 如權(quán)利要求8到11中的一個(gè)或多個(gè)所述的設(shè)備，其特征在于，所述額外可變項(xiàng)（Δ ω )是這樣的，Δ ω =kAFL，其中：AFl = Fn-FAVGL，F(xiàn)n是在時(shí)間N處采樣的頻率測(cè)量結(jié)果，F(xiàn)avgl 是所述頻率樣本Fn的長(zhǎng)移動(dòng)平均值，所述長(zhǎng)移動(dòng)平均值基于大于50個(gè)的一定數(shù)量的所述頻 率樣本Fn來計(jì)算，且所述參數(shù)k是自適應(yīng)值k = f ( △ Fl )。14. 如權(quán)利要求12到13中的一個(gè)或多個(gè)所述的設(shè)備，其特征在于，所述參數(shù)k在包括第 一值(kl)和第二值(k2)的組中被選擇，所述第一值(kl)被首先采用，所述第二值(k2)大于 所述第一值(kl)且被以后采用，以便更快地進(jìn)行對(duì)孤島狀況的檢測(cè)。15. -種適合于產(chǎn)生AC功率并將其輸送到AC電網(wǎng)的功率轉(zhuǎn)換和產(chǎn)生系統(tǒng)，包括： 用于產(chǎn)生DC功率的發(fā)電單元；以及 根據(jù)權(quán)利要求8到14中的一個(gè)或多個(gè)所述的DC/AC轉(zhuǎn)換器裝置。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK106058911SQ201610214173
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年4月7日 公開號(hào)201610214173.2, CN 106058911 A, CN 106058911A, CN 201610214173, CN-A-106058911, CN106058911 A, CN106058911A, CN201610214173, CN201610214173.2
【發(fā)明人】盧卡·法雷澤, 紹羅·馬切里尼
【申請(qǐng)人】Abb技術(shù)股份公司